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EFB-Forschungsbericht Nr. 108

Umformgrenzen beim Tief- und Streckziehen von Feinblechen aus Aluminiumlegierungen

EFB108.jpg

Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. habil. Reimund Neugebauer, Dipl.-Ing. Andreas Sterzing, Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik Chemnitz

92 Seiten (Sw 65 Abb., 5 Tab.)

ISBN: 978-3-86776-240-3

Preis (Digital) EUR 40,00

Preis (Print) EUR 44,90

Schlagworte: Zuschnitt, Ziehverhältnisse, Legierung, Umformverhalten, Aluminiumumformung

Zusammenfassung

Die Ergebnisse des Forschungsprojektes lassen Aussagen zur Gestaltung von Umformprozessen mit Aluminiumlegierungen zu, die dazu beitragen können, den Herstellprozeß von Umformteilen aus Aluminium stabiler und sicherer zu gestalten. Neben Hinweisen zur Auslegung von Ziehwerkzeugen werden Maßnahmen dargelegt. die sich günstig auf das Umformverhalten von Aluminiumlegierungen auswirken und somit dazu beitragen können, deren umformtechnische Grenzen zu verschieben bzw. zu erweitern.

Aufgrund der versuchstechnischen Ausrüstung konnten umfangreiche Testserien realisiert werden, die sich mit dem Einfluß der Werkzeugauslegung auf das Ziehergebnis beschäftigten. Mit Hilfe des zur Verfügung stehenden Rechteckwerkzeugsatzes war es möglich, das Umformergebnis durch Variation der Werkzeugparameter zu beeinflussen.

Die Ergebnisse belegen, daß sich speziell die Dimensionierung der Stempelboden- und der Stempeleckradien direkt auf das Umformergebnis der untersuchten Legierungen auswirkt. Aufgrund der Möglichkeit, diese Einflußparameter während der Testsequenzen zu variieren, konnten folgende Schlußfolgerungen abgeleitet werden:

  • Die untersuchten Aluminiumlegierungen reagieren sehr empfindlich gegenüber radialen Zug- und tangentialen Druckspannungen
  • Ein Bodenradius von Rb = 2 mm stellt ein Grenzradius für das Umformen dar
  • Eine alleinige Vergrößerung des Stempelbodenradius Rb führt nur in gewissen Grenzen (Rb ≤ 5 mm) zu einer deutlichen Verbesserung bzw. Verschiebung der umformtechnischen Grenzen
  • Deutliche Effekte hinsichtlich einer weiteren Verbesserung des Umformverhaltens sind nur durch eine Vergrößerung der Stempeleckradien Re möglich, deshalb sind diese unter Berücksichtigung der konstruktiven Gegebenheiten so groß wie möglich auszulegen
  • Zwischen den ermittelten umformtechnischen Grenzen und dem verwendeten Stempeleckradius Re konnte eine fast lineare Abhängigkeit identifiziert werden

In Bezug auf die Dimensionierung des Ziehspaltes muß hingewiesen werden, daß das spezifische Aufdickungsverhalten von Aluminiumlegierungen in den Eckbereichen der Ziehteile bei der Auslegung des Spaltmaßes in die Überlegungen einfließen muß. Wie die Untersuchungen im Gegensatz zu den bestehenden Richtlinien gezeigt haben, reicht ein Ziehspalt. welcher 10 % größer als die Ausgangsblechdicke des Werkstoffes ist, nicht aus, Abstreckvorgänge in diesen Bereichen zu vermeiden, die zum Versagen des Werkstoffes führen.

Daß eine Übertragbarkeit dieser Untersuchungsergebnisse auch auf praxisrelevantere Werkstückformen mit 90°-Eckbereichen gegeben ist, zeigten Experimente, die mit praxisrelevanteren Versuchswerkzeugen durchgeführt worden sind. Ausgehend von der Tatsache, daß das Werkstoffversagen im kritischsten Werkzeugbereich, das heißt im Bereich des kleinsten Eckradius Remin‘ auftrat, konnten vergleichbare Ergebnisse in Hinblick auf die Untersuchungen mit dem Rechteckziehwerkzeug erzielt werden.

Dadurch ist es möglich zu Schlussfolgern, daß die beiden vorangegangenen Untersuchungen ermittelten Erkenntnisse auch bei der Auslegung von realen Produktionswerkzeugen genutzt werden können.

Im Laufe der Tiefziehexperimente konnten weitere Faktoren identifiziert werden, die sich positiv auf die Ergebnisse der Umformoperationen ausgewirkt haben. Durch gezielte Maßnahmen, die zu einer weiteren Optimierung der Einfließbedingungen des Werkstoffes in das Werkzeug führen, war es hinsichtlich der Verschiebung der umformtechnischen Grenzen möglich, zusätzliche Effekte zu erreichen.

- Gestaltung des Zuschnittes
Die Zuschnittsform besitzt eine besondere Bedeutung für das Ergebnis der Umformoperation. Durch deren Optimierung konnten Ziehtiefensteigerungen von bis zu 30 % erzielt werden.
- Niederhalterkraft
Durch die Verwendung degressiver Niederhalterkraftverläufe, die es ermöglichten, konstante Niederhalterdrücke während des gesamten Tiefziehprozesses zur Verfügung zu stellen, konnten weitere Vorteile hinsichtlich der erreichbaren umformtechnischen Grenzen erzielt werden (bis zu 10 %). Hierbei ist anzumerken, daß eine Erhöhung der Niederhalterkraft am Ende des Ziehvorganges, die zu einem kurzzeitigen Ausrecken des Ziehteiles führt, sich positiv auf die Abtarmgenauigkeit auswirkt.
- Schmiermittel
Durch Verwendung eines hochviskosen Schmierstoffes war es möglich, die tribologischen Bedingungen zwischen dem Blechwerkstoff und dem Werkzeug zu verbessern.
- Niederhaltergestaltung und Mehrpunktziehtechnik

Durch die Verwendung von elastischen Niederhaltersystemen während der Tiefziehuntersuchungen waren Steigerungen der fiktiven Ziehverhältnisse von bis zu 20 % möglich. ln Kombination mit der Mehrpunktziehtechnik konnten diese, aufgrund der Verbesserung der Niederhalterdruckverteilung, bis auf 30 % vergrößert werden.

Nach den Tiefziehuntersuchungen zeigte es sich, daß die Legierung EN AW-5754 im Vergleich zu den anderen Legierungen EN AW-5182, EN AW-5083 sowie EN AW-6016 ein deutlich besseres Umformverhalten unter diesen Bedingungen aufweist, was sich aber in den Werkstoffparametern, die mit Hilfe von Zugversuchen ermittelt wurden, nicht widerspiegelt.

Während der Streckziehuntersuchungen konnte beobachtet, daß die untersuchten Legierungen sehr empfindlich gegenüber Zugspannungen reagierten. Durch die geometrische Auslegung des Werkzeuges war es nicht möglich, die Streckziehbelastung auf den Bodenbereich der Teile zu übertragen. Diese konzentrierte sich somit nur auf die Zargenbereiche. Im Vergleich zu den Tiefziehuntersuchungen konnten bei diesen Experimenten keine deutlichen Unterschiede hinsichtlich des Umformverhaltens zwischen den Aluminiumlegierungen trotz der differierenden Werkstoffeigenschaften festgestellt werden.

Abschließend muß eingeschätzt werden, daß eine Diskrepanz zwischen den beobachteten Umformverhalten und den Werkstoffeigenschaften besteht. Somit ergibt sich für die Zukunft die Forderung, auch in Hinblick auf die Anwendung von FEM-Simulationen, verstärkte Anstrengungen zur Identifizierung relevanterer Werkstoffkenngrößen zu unternehmen, die dazu geeignet sind, das Umformverhalten von Aluminiumlegierungen besser zu beschreiben bzw. vorherzusagen.

Nur durch Kenntnis des Zusammenhanges zwischen den Werkstoffeigenschaften und dem Umformverhalten der Werkstoffe ist es möglich, schon durch eine gezielte Werkstoffauswahl auf das Ergebnis einer Umformoperation direkt einzuwirken. Dadurch könnte eine noch immer bestehende Wissenslücke auf diesem Gebiet geschlossen werden, was dazu beitragen kann, die Prozeßstabilität und -Sicherheit beim Umgang mit Aluminiumwerkstoffen zu verbessern.

Das Forschungsvorhaben „Umformgrenzen beim Tief- und Streckziehen von Feinblechen aus Aluminiumlegierungen“ wurde unter der Fördernummer AiF 10426B von der EFB e.V finanziert und betreut und über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AIF e.V) mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie (BMWI) gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 108 erschienen und ist bei der EFB-Geschäftsstelle erhältlich.

Inhalt

Verzeichnis der Formelzeichen und Abkürzungen
1 Einleitung
2 Problemstellung
3 Stand der Technik
4 Zielstellung
5 Versuchsprogramm
5.1 Untersuchte Werkstoffe
5.2 Tiefziehen
5.2.1 Allgemeine Grundlagen
5.2.2 Verwendete Maschine
5.2.3 Versuchswerkzeug 1
5.2.3.1 Ermittlung der umformtechnischen Grenzen
5.2.3.2 Verschiebung der umformtechnischen Grenzen
5.2.3.3 Beeinflussung der Form- und Maßgenauigkeit
5.2.4 Versuchswerkzeug 2
5.2.5 Versuchswerkzeug 3
5.2.6 FEM-Simulationen
5.3 Streckziehen
5.3.1 Bestimmung der umformtechnischen Grenzen
5.3.1.1 Reines Streckziehen
5.3.1.2 Kombination Tief- und Streckziehen
5.3.1.3 Tiefziehen mit nachfolgendem Abstrecken
5.3.2 Beeinflussung der Form- und Maßgenauigkeit
6 Versuchsergebnisse
6.1 Charakterisierung der untersuchten Werkstoffe
6.1.1 Ermittlung der mechanischen Eigenschaften
6.1.2 Charakterisierung der untersuchten Blechoberflächen
6.2 Ergebnisse der Tiefziehuntersuchungen
6.2.1 Untersuchungen mit dem Versuchswerkzeug 1
6.2.1.1 Ermittlung der umformtechnischen Grenzen
6.2.1.2 Verschiebung der umformtechnischen Grenzen
6.2.1.3 Beeinflussung der Form- und Maßgenauigkeit
6.2.2 Untersuchungen mit dem Versuchswerkzeug 2
6.2.3 Untersuchungen mit dem Versuchswerkzeug 3
6.2.4 Simulationsergebnisse
6.3 Ergebnisse der Streckziehuntersuchungen
6.3.1 Bestimmung der umformtechnischen Grenzen
6.3.1.1 Reines Streckziehen
6.3.1 .2 Kombination Tief- und Streckziehen
6.3.1.3 Tiefziehen mit nachfolgendem Abstrecken
6.3.2 Beeinflussung der Form- und Maßgenauigkeit
7 Zusammenfassung und Ausblick
8 Schrifttum